基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化研究

基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化研究江苏大学汤靖高翔陆丹提要：针对厂家反映的汽车前轮磨损严重的问题，以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的Car专业模块建立该皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用ADAMS/Insight模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。关键词：汽车CAD；ADAMS；麦弗逊悬架；多体动力学0引言麦弗逊独立悬架具有结构简单、非簧载质量小、发动机及转向系易于布置、适合于同多种形式的弹簧相匹配以及能实现车身高度的自动调节等优点。但是，由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心的连线上，因此当悬架在变形时，主销轴线也随之改变，前轮定位参数和轮距也都会相应改变，且变化量可能很大。因此，如果悬架结构设计不当，就会大大影响汽车产品的使用性能(如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等)[1]。某客货两用皮卡车的前悬采用的是麦弗逊悬架，厂家反映存在该悬架轮胎磨损非常严重，为解决此问题，我们借助ADAMS/Car专业模块，构建该悬架的电子样机模型，使用ADAMS/Insight试验设计与分析模块进行虚拟试验，并进行了优化设计。机械系统动力学仿真分析软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）中的Car专业模块是MSC与Audi、BMW、Renault、和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，整合了他们在汽车设计、开发方面的经验，能够帮助工程师快速建造高精度的包括车身、悬架系统、传动系统、引擎、转向机构、制动系统等子系统在内的参数化虚拟汽车模型。ADAMS/Insight功能扩展模块是ADAMS基于网页的试验设计与分析模块，能对仿真进行实验设计，使用户可以更精确地对设计进行量化研究，应用ADAMS/Insight，我们可以很方便地进行一系列的仿真试验，从而精确地预测所设计的复杂的机械系统在各种工作条件下的性能，并对试验结果提供专业化的统计结果[2]。1建立模型1.1模型分析根据实际悬架系统结构抽象出如图1所示的前左悬架系统分析模型，悬架右侧和左侧对称。由于Car建立模型只需要输入单侧模型的参数会自动地建立另一边的模型。因此，这里建模过程只涉及到左边悬架。根据实际悬架及转向系统的结构。可以抽象出如图2所示的运动学仿真系统模型。图1麦弗逊悬架结构示意图图2悬架运动学仿真模型麦弗逊独立悬架左悬架部分由下摆臂、转向节总成（包括减振器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆、减振器上体、转向器齿条、车轮总成、车身共7个刚体组成。减振器上体用万向节铰A与车身相连，转向节总成与减振器上体用圆柱铰B约束，相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂一端通过转动铰F,G与车身相连（其中一个为虚约束），可相对车身上下摆动，另一端通过球铰E与转向节总成相接；转向横拉杆一端通过球铰C与转向节总成相连，另一端通过万向节铰H与转向齿条相连；转向齿条通过移动铰I与车身相连，可相对车身左右移动；车轮总成和转向节总成通过转动铰链D相连，进行运动学分析时，车身与地面是固定在一起的[3]。1/2前麦弗逊悬架约束方程数目为：m=6x1+5x3+4x3+3x2=391/2悬架自由度为：DOF=6x7-m=3其中1/2悬架有3个自由度，分别是车轮绕着车轴的转动、车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。1.2模型关键点的获取模型关键点的空间位置坐标和相关参数是建立ADAMS运动学模型的关键，由于厂家未能提供零部件装配图，因此我们使用三坐标仪进行测绘。在测量该皮卡车前悬架零部件的空间位置和参数时，我们采用ISO坐标制，以地面为XY平面，汽车中心对称面为XZ平面，通过前轮轮心连线，垂直另外两平面的面为YZ平面，取竖直向上为Z轴正向，车身右侧为Y轴正向，以车前进方向的反方向为X轴正向。于是我们得到如表1所示的左侧悬架空间参数表。表1左侧悬架空间参数表其中使用GCD-I型光束水准车轮定位仪测量前轮定位参数，车轮外倾为1.5度，主销后倾角为3度，主销内倾角为8.5度[4]。1.3建立仿真模型调用ADAMS/Car中自带的模板，输入相关参数建立悬架子系统，调用该悬架子系统则可以建立前悬架模型系统。由于该车轮胎为165/R13，根据参考书目[5]中的公式：以及实车的有关参数我们可以计算得到理想角为0.286°，在ADAMS/Car中输入悬架参数车轮外倾角1.5度，前束角0.286°，则可以完成麦弗逊悬架的建模。悬架运动学仿真模型如图2所示。2仿真分析我们进行了双侧车轮平行跳动仿真来分析车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角的变化，由于前题是为了消除外倾带来的边滚边滑的不良后果[6]，这里我们仅直接分析前轮侧滑量的变化。由于左右车轮对称，定位参数完全一样，故我们仅分析左车轮定位参数。跳动的范围选择为皮卡车常用的±40mm，定位参数以及车轮侧滑量变化如图3、4所示：图3前轮定位参数变化图图4前轮侧滑量变化从图3我们注意到定位参数的初始值与我们使用GCD-I型光束水准车轮定位仪测量的参数一致，可以判断模型是合理的，同时从图3和图4可知，该车定位参数存在以下问题：．车轮的侧向滑移量过大，上跳40mm处滑移值为12.4378mm，在+40mm处为-8.2429mm，该车行驶时轮胎将严重磨损；．车轮定位参数在车轮上下跳动过程中变化过大，其中车轮外倾角变化达到4.3547，主销的内倾角变化达到4.1609°，这在加剧了轮胎磨损的同时也将导致皮卡车性能变得不稳定。3优化设计为了解决以上问题，考虑对前悬架进行结构调整。由于主销后倾角和主销内倾角的初始值的调整会影响车身高度、质心位置、轮距和轴距等基本参数，从而会极大的影响整车的各项性能，故不能做较大范围的调整。而且以前的研究表明，细微的调整对其他定位参数的变化影响并不大，而下摆臂的侧倾角和俯仰角对侧滑量以及其他定位参数有显著影响[4]。这里采用ADAMS/Insight进行进一步分析。由于该车磨损问题非常严重，因此将车轮的侧滑量作为优化目标函数。先将下摆臂的前后两支点的Y坐标值和Z坐标值作为影响因素，将其变动范围定为±100mm进行DOE来分析参数对目标函数的影响，经过DOE，我们得到如图5所示的仿真试验图。图5ADAMS/Insight仿真试验图对照图5并查询ADAMS/Insight中的Workspace，经过我们分析得到：当后支点位置Y=-155，Z=225，前支点Z=237时，可以得到较小的侧向滑移量，这也意味着这三个参数对我们的性能有较大的影响。固定这几点，然后单独分析前支点Y坐标对目标函数的影响，得到优化后的前支点Y值为-225。固定这点，然后进一步分析后支点的Y坐标和Z坐标以及前支点Z坐标对目标函数的影响。将后支点的Y基本值定为-155，Z定为225，前支点Z基本值定为237，在ADAMS/Insight里面进行自动寻优。最后，我们得到以下经过优化后的坐标值：前支点Y=-225，Z=227.5，后支点Y=-164.5，Z=215.5。在ADAMS/Car里面将关键点的坐标做相应的调整，再进行双侧车轮平行跳动±40mm仿真，在后处理模块中将所得到的结果与原结果对比如图6~9所示。优化前后各参数变化如表2所示。表2优化前后参数对比表从图6~9以及表2我们可以看到：1）与原悬架相比，车轮跳动±40mm时车轮外倾角和主销内倾角的变化范围明显减小。具体而言，车轮外倾角变化范围由原来的4.3547°减小到2.1439°，主销内倾角变化由原来的4.1609°变为1.4920°时；2）与原悬架相比，车轮跳动±40mm时车轮后倾角变化范围稍有减小，原为1.4939°，现为1.428°，但在负行程处后倾角绝对值有0.1861°的增大；3）与原悬架相比，左车轮跳动±40mm时左车轮侧滑量有显著的改善，上跳-40mm处滑移值由12.4378mm变为1.7236mm，在+40mm处由原来的-8.2429mm变为1.7236mm；右轮与左轮对称，滑移也对称分布，左轮滑移获得改善的同时，右轮也获得了改善。4小结本文利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的Car模块建立了某皮卡车麦克弗逊式悬架运动学计算机仿真模型，使用ADAMS/Insight模块将下摆臂布置对悬架的定位参数和侧滑量的影响进行了分析，并进一步进行优化设计，较好地解决了悬架上跳过程中定位参数变化过大，轮胎磨损严重的问题。对于其他的麦弗逊悬架，将本文建立的计算机仿真模型所用的基本空间参数进行调整，也可以快速准确地得到该悬架的基本性能曲线，通过ADAMS/Insight可以针对悬架具体的性能目标要求对结构进行改进。总的来说，将ADAMS/Car和ADAMS/Insight的结合使用可以快速高效地对悬架进行运动学分析和优化设计。参考文献1褚志刚，汽车前轮定位参数优化设计，重庆大学学报，200322王国强，虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用，西安西北工业大学出版社20023赵亦同，悬架侧倾特性参数及动力学仿真，传动技术，200114丁华，麦弗逊悬架系统性能研究，江苏大学学报2001105孔明树，解放牌CA10B型汽车前轮前束的改进，汽车技术19863